聚多巴胺在生物材料表面改性中的应用

发布时间：2016-08-22 12:12

  本文关键词：聚多巴胺在生物材料表面改性中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

PＲOGＲESSIN

CHEMISTＲY

*

DOI：10.7536/PC140921

聚多巴胺在生物材料表面改性中的应用

刘宗光

＊

翁屈树新＊

杰

材料先进技术教育部重点实验室

成都610031）

（西南交通大学材料科学与工程学院摘

要

可在海水等潮湿环境中牢固黏附在各海洋生物贻贝通过其足腺分泌的具有超强黏附性能的蛋白，

种材料的表面。受此黏附蛋白的启发，研究发现聚多巴胺（PDA）具有类似于贻贝黏附蛋白的结构和超强黏PDA可在各种材料的表面迅速成膜，附性能。在碱性条件下，其中含有大量亲水的羟基和氨基官能团，可提高材料表面的亲水性和化学多功能性；PDA可作为中间层，在基底材料表面强力结合功能分子。由于PDA的形成过程简单且不需要有机溶剂，近年来常被应用于材料的表面改性。此外，由于PDA可促进细胞的黏附，具有良好的生物相容性，在生物材料表面改性中也有较多的应用。本文将综述PDA的黏附机理及其在生物材料表面改性中的应用，并提出PDA在生物材料表面改性应用中的展望及研究过程中存在的问题，为PDA在生物材料和组织工程中的应用提供参考。

贻贝仿生聚多巴胺表面改性生物材料

0212-08281X（2015）02/3-中图分类号：O632；O647.4文献标识码：A文章编号：1005-关键词

ApplicationofPolydopamineinSurfaceModificationofBiomaterials*

LiuZongguang

＊

QuShuxin＊WengJie

（KeyLabofAdvancedTechnologiesofMaterials，MinistryofEducation，SchoolofMaterialsScienceandEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China）Abstract

Inspiredbythestrongadhesiveproteinssecretedbymusselsforattachmentontoawiderangeof

substratesinwetcondition，somereportsindicatedthatpolydopamine（PDA）possessesthesimilarstructureandstrongadhesiontothoseofadhesiveproteins．PDAfilmcanbeformedonthesurfaceofsubstrateinalkalinesolutionexpeditiously，whichresultsintheimprovementofthehydrophilyandthechemicalversatilityofsubstrateduetothehydrophilichydroxylandaminogroupsofPDA．ThePDAlayercanbeusedasanintermediatetoanchorfunctionalmoleculesonthesurfacethroughchemicalbonds（byMichaeladditionorSchiffbasereaction）orotherphysicalbonds（hydrogenbondorvanderWaals’force）．PDAsurfacemodificationstrategyisextremelyusefulbecausetheprocessissimpleandsolvent-free．Moreover，duetotheimprovementofcelladhesionandbiocompatibility，PDAhasbeenwidelyusedinsurfacemodificationofbiomaterials．Inthisreview，adhesivemechanismandapplicationofPDAinsurfacemodificationofbiomaterialshavebeensummarized．Inaddition，theproblemsexistedandthepromisingprospectsoftheapplicationofPDAinbiomaterialsarepointedout．ThisreviewalsoprovidesusefulinformationforthepotentialapplicationofPDAinbiomaterialsandtissueengineering．Keywords

mussel-inspired；polydopamine；surfacemodification；biomaterials

收稿：2014年9月，收修改稿：2014年11月，网络出版：2015年3月5日

*国家重点基础研究发展计划（973）项目（No．2012CB933602），国家自然科学基金项目（No．51372210）和高等学校博士点专项科研基金项目（No．20130184110023）资助

TheworkwassupportedbytheNationalBasicＲesearchProgramofChina（973Program）（No．2012CB933602），theNationalNaturalScienceFoundationofChina（No．51372210）andtheＲesearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina（No．20130184110023）．＊＊Correspondingauthor

e-mail：qushuxin@swjtu．edu．cn

http：//www．progchem．ac．cn

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Polydopaminehasbeenwidelyusedinsurfacemodificationofbiomaterials，e．g．inductionofsurfacemineralizationandimmobilizationofnano-particles，biomolecule，anddrug，etc．，throughchemicalor/andphysicalbonds．

Contents1233.13.23.33.43.53.63.74

Introduction

FormationprocessandmechanismofPDAApplicationofPDA

IncreasingthehydrophilicityofbiomaterialswithPDA

ImmobilizingdrugsorgrowthfactorswithPDAImmobilizingsilvernanoparticleswithPDAImmobilizingproteinswithPDA

IncreasingthebiocompatibilityofsubstrateswithPDA

InducingmineralizationsubstrateswithPDA

ApplicationofPDAinotheraspectsConclusionandoutlook

on

the

surface

of

学交联固化，实现贻贝在各种材料表面的超强黏

［4，5］

。附

DA）因其结合DOPA的儿茶多巴胺（dopamine，

酚官能团和赖氨酸的端氨基官能团，也被证明具有

［6～8］

，DA的结构式如图式1所示。超强的黏附性能

DA在碱性溶液中可发生氧化自聚合，在材料表面

PDA）形成具有超强黏性的聚多巴胺（polydopamine，

［8］

层，从而实现在各种材料表面的超强黏附。类PDA的超强黏附性能是由似于贻贝的黏附蛋白，

于其含有的儿茶酚官能团可与基底材料表面形成共价键或非共价键（氢键、范德华力或堆积作用力）的结合

［9］

。

1引言

贻贝依靠丝足末端的足盘使其可以在海水等潮

湿的环境下黏附在岩石、木材、金属和聚合物的表面

［1］

。研究发现，贻贝足腺分泌出具有超强黏附性

图式1构式

DA）的结多巴（DOPA）和多巴胺（dopamine，StructureofDOPAanddopamine

能的物质，其主要成分为黏附蛋白（musseladhesiveproteins，MAPs），分别被鉴别和命名为MAP1至MAP6，其中分布于足盘与固体的接触界面上的黏附MAP5和MAP6［2］。这些黏附蛋白中蛋白有MAP3、

3，4-主要包含了经络氨酸转译修饰后形成的L-二羟3，4-dihydroxyphenylalanine，DOPA，苯丙氨酸（L-多

［3］

巴）和少量的赖氨酸残基。DOPA中的儿茶酚官

MAPs通过能团具有化学多功能性和高亲和力，

DOPA中的儿茶酚官能团（图式1）的黏附和快速化

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219化学进展，

Scheme1

目前，国内外已有一些的相关综述，涉及纳米材

料、功能材料、能源材料、环境材料及生物科学等

［10～22］

。由于PDA可促进细胞的黏附，具有良好

的生物相容性，，在生物材料表面改性中应用较多。本文将特别关注PDA在生物材料表面改性中的应用，为PDA在组织工程中的广泛应用提供参考。

·213·

2PDA的形成过程和机理

目前，其形成机理尚因PDA的形成过程复杂，

不完全清楚。有学者认为PDA的形成为单纯的化学聚合，其中一种反应方式为直接氧化聚合，即DA首先被氧化生成多巴胺醌，而后再发生氧化和聚合反应，形成PDA，反应过程如图式2所示

［9，23］

。

图式4非共价聚合生成PDA的反应过程

［24，25］

Scheme4

图式2

直接氧化交联聚合生成PDA的反应过程

［9，23］

［9，23］

MechanisticschemefortheformationofPDAby

25］

non-covalentpolymerization［24，

Scheme2MechanisticschemefortheformationofPDAby

directoxidationandcross-linking

6-二羟基吲哚（DHI，黑色素的前驱体）；第二步：DA的非共价自组装。两个DA分子和一个DHI分子进行物理自组装，形成物理三聚物；第三步：两个DHI聚合成二聚体，再和一个DA分子形成三聚体；第四步：两个三聚体和第二步形成的物理三聚体组装形成PDA。

由于PDA形成机制的复杂性和检测手段的局限性，导致现有文献中提出不同PDA形成机制。根据实验研究和理论推测，物理与化学的共同作用形成机制（图式5所示）较全面。首先，上述不同PDA形成过程和机理的最初反应均为DA氧化成多巴胺醌，此为目前学者们公认的反应。其次，结合PDA在改性后材料表面形成的膜状及颜色（短时间为黄

DA首先被氧另一种反应方式为反歧化交联，

化生成多巴胺醌，然后与DA分子发生反歧化反应生成半醌自由基，最后交联生成PDA，反应过程如

［3］

图式3所示。

图式3反歧化交联聚合生成PDA的反应过程

［3］

Scheme3MechanisticschemefortheformationofPDAby

色，长时间为黑色），可推测出DA发生了化学交联

PDA并按照类似于黑色素的形成路径进行。最后，形成过程中将在溶液表面形成氧化膜，阻碍氧气的

进入，因此溶液中可能有部分未聚合的DA分子，为物理自组装过程提供了可能。

最终形成的PDA均具有不同程度的对称性，并且最终产物均含有大量的羟基和氨基官能团，为改性后的表面提供二次反应（迈克尔加成反应或席夫碱反应）所需的活性基团

［8］

reverse-dismutationandchemicalcross-linking［3］

但有学者认为PDA不是通过共价键结合的聚

合物，而是单体通过很强的非共价键力（包括电荷转移、π-π堆积和氢键）结合在一起，这些非共价作用使PDA具有很强的稳定性和水不溶性，其反应过程如图式4所示

［24，25］

。

。

Hong等［26］通过高效液相色谱结合核磁共振氢谱分析PDA的反应过程，得出PDA的形成为非共价自组装和化学共价聚合的共同作用，其反应过程如图式5所示。第一步：DA氧化。DA首先在有氧的环境下失去2个电子，被氧化成多巴胺醌式结构，然后本身发生亲核反应（迈克尔加成反应），形成5

，

·214·

3PDA的应用

PDA形成过程简单且不需要有机溶剂［27］，仅需

HCl缓冲液或其他碱将材料浸入含DA的碱性Tris-［8］

PDA被因此，性溶液中，即可在表面形成PDA层，

广泛应用于材料的表面改性。PDA具有良好的生

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图式5［26］

物理和化学聚合生成PDA的反应过程

Scheme5MechanisticschemefortheformationofPDAbyphysicalself-assemblyandchemicalpolymerization［26］

改性后的表面利于细胞的黏附，在生物材物相容性，

料表面改性中的应用也逐渐增多。下文将从PDA在提高材料表面亲水性、固定药物、银纳米颗粒和蛋白质、提高生物相容性和引导材料表面矿化几个方面的应用进行综述。

3.1PDA提高生物材料表面亲水性

PDA中含有大量的氨基和羟基等亲研究发现，

水性官能团，可为疏水性表面提供亲水基团，从而提高疏水生物材料的亲水性能。Ku等

［28］

统物理或化学处理表面改性的复杂程序和不均匀性等不足，为疏水性生物材料的广泛应用提供可能。

PDA改性为进一步锚定功能团或功能分子提此外，

供活性官能团。3.2

PDA固定药物或生长因子

为了提高组织工程支架的功能化作用，常需要在其表面固定药物或生长因子，然而，这些物质与支架表面的结合力较弱，难以实现药物或生长因子的固定、控释或持续释放。PDA可黏附在任何固体材料的表面，并且PDA表面含有大量的儿茶酚和氨基等活性官能团，有利于二次反应，即PDA可通过共价键（迈克尔加成反应或席夫碱反应）或非共价键（范德华力和氢键等）作用结合支架与药物或生长因子

［31，32］

利用PDA

对聚乙烯（PE）和聚四氟乙烯（PTFE）等疏水表面进

行表面改性，发现其接触角明显下降，改变为亲水性表面。Ku等

［29］

还利用PDA对聚己内酯（PCL）纳米

［30］

纤维表面改性，发现改性前后其水接触角为92.4°和15.5°，分别呈疏水和亲水表面。Xi等

用PDA

对疏水的PE、聚偏氟乙烯（PVDF）和PTFE多孔薄膜表面改性，提高了多孔聚合物的亲水性。此方法过程简单且适用于各种固体材料的表面，克服了传

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219化学进展，

，提高它们之间的结合力。

Zhu等［33］将PDA改性后的PE多孔薄膜浸入含有肝素的溶液，通过共价结合固定肝素，提高了PE的表面亲水性和血液相容性。谢槟等［34］通过类

·215·

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本文编号：100132